Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра пищевой биотехнологии

Курсовой проект по дисциплине

Процессы и аппараты химической технологии

Тема:

«Расчет кожухотрубного теплообменника для стерилизации масла»

Задание

Спроектировать кожухотрубный теплообменник для нагревания G, кг\с, продукта от начальной температуры t₂^н до конечной t₂^к теплоносителем с начальной температурой t₁^н и конечной температурой t₁^к.

Исходные данные для расчета:

Производительность G = 1,39 кг\с

Начальная температура масла t₂^н = 25^оС

Конечная температура масла t₂^к = 135^оС

Общее допустимое гидравлическое сопротивление Р = 0,5 МПа

Степень сухости водяного пара Х = 0,9

Коэффициент рекуперации тепла е = 0,8.

Продукт - растительное масло (подсолнечное масло рафинированное).

Теплоноситель - водяной пар.

Тип аппарата - вертикальный.

Тепловой расчет:

1. Определяем среднюю температуру продукта (масла) в подогревателе:

t_м = 0,5(t₂^н+ t₂^к)

t_м = 0,5(25+135)=80^оС

2. Определяем физические характеристики продукта при t_м = 80^оС по табл.14 [5]:

Удельная теплоемкость продукта с_р = 2,03 кДж\(кг*К);

Плотность продукта с= 884 кг\м³.

Кинематический коэффициент вязкости н = 10,4*10⁶ м²\с.

Коэффициент теплопроводности масла л = 0,159 Вт/(м*К)

Значения критерия Прандтля Pr = 117,3

3. По давлению пара Р определяем характеристики насыщенного пара по табл. 11.2[6]:

Температура пара t_п =151,1^оС;

Удельный объем насыщенного пара V = 0,3747 м³\кг;

Теплота парообразования r = 2111,0 кДж\кг

4. Количество тепла, необходимое для подогрева продукта (масла) до заданной температуры:

Q = G_м*C_p(t₂^к -t₂^н )ц_n, кВт

Где ц_n - поправочный коэффициент на потери тепла в окружающую среду, определяемый в долях единицы. ц_n = от 1,03 до 1,05

Q = 1,39*2,03(135-25)*1,04=322,8 кВт

5. Рассчитываем среднюю разность температур (средний температурный напор).

?tср = (?t_б - ?t_м )\2,3lg(?t_б \ ?t_м);

Где ?t_{б =} t_п - t₂^н; ?t_м = t_п -t₂^к; ^оС.

?t_б = 151,1 - 25 =126,1 ^оС; ?t_м =151,1 - 135 = 16,1 ^оС.

?tср = (126,1 - 16,1)\2,3 lg(126,1\16,1) = 53,4

6. Задаем скорость движения в трубах, она лежит в пределах W'_м = (0,6 - 1,5), м\с.

Принимаем W'_м = 0,9 м\с.

7. Задаем внутренний d_в и наружный d_н диаметр трубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи трубки омываются паром.

d_в =0,021 м, d_н = 0,026 м.

8. Определяем необходимое количество трубок для обеспечения данной скорости продукта в одном ходу:

n'=G/2825d_в²W^'_мс_м.

n' = 1,39*3600\2825*(0,021)²*0,9*884 = 5,03

Значение n^? округляем до целого десятка n = 10 трубок.

9. Уточняем скорость движения продукта по трубам по количеству трубок:

W_м = 3600*G_м/2825d_в²с_м n, м\с.

W_м =1,39*3600\2825*(0,021)²*884*10= 0,65 м\с.

10. Находим значение коэффициента теплоотдачи Ь₂:

Ь₂ = Nu_f*л_f/d_в;

Для определения коэффициента теплоотдачи Ь₂ рассчитываем критериальное уравнение:

Nu_f = 0,0225*Re_f^0,8*Pr_f^0,4

Nu_f, л_f, н_f, - физические параметры продукта определяемые при средней температуре продукта.

Re_f = W_мd_в\н_f; Re_f =<1*10⁴ => режим движения масла ламинарный.

Nu_f = 0,0225*(1312,5)^0,8*(117,3)^0,4 = 47,25

б₂=

11. Определяем необходимую поверхность нагрева продукта с учетом возможности загрязнения:

F_н = Q\б₂Дt_срз_з; где з_з - коэффициент загрязнения (з_з = 0,7-0,9).

F_н =

12. Выбираем число ходов продукта по трубкам подогревателя, оно может быть 2, 4, 6 (выбирается в первом приближении произвольно). Принимаем z = 4.

13. Средняя длина трубки одного хода:

I₁ = F_н\ рd_нz_м; м

I₁ =

14. Рабочая длина одной трубки:

L = l₁\z;

L =

15. Расход пара на подогрев продукта составляет:

G_n = Qз_н\r; кг\ч

з_н - коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду при наличии изоляции (1,1 - 1,3).

G_n =

16. Число отверстий под трубки в трубной доске:

N_о = z_м*n

N_о = 4*10 = 40

17. Внутренний диаметр корпуса:

Д_в = N_о*d_н

Д_в = 40 *0,026 =1,04м

18. Число труб, размещенных на диаметре трубной решетки (наибольшей диагонали шестиугольника):

n_d = ³v (4F_р / 3t*f*в),

где в - отношение высоты или длины теплообменника к его диаметру:

в = Н/D = L/D, в = 3-5, примем в = 3; t- шаг размещения трубок, м.

n_d = ³v 4*21,6 / 3*0,033*0,18 = ³v 4848,48 = 16,9 ? 17.

Пусть трубки на трубной решетки закреплены сваркой, тогда t = 1,25d_н,

t = 1,25*0,026 = 0,033 м.

f - поверхность одного метра трубы принятого диаметра, м²:

f = 2рr(r+h)/3 = 2*3,14*0,013*(0,013+6,6)/3 = 0,18.

18. Внутренние диаметры кожухов, изготовленных сваркой, рекомендуется принимать от 400 до 3000 мм через каждые 200 мм. Если корпус выполняется из труб, то наружный диаметр выбирают равным 159, 273 или 325 мм. Пусть внутренний диаметр кожуха равен 2500мм = 2,5 м, а наружный корпуса - 325 мм = 0,325 м.

19. Общее число труб, размещаемых в пределах правильного шестиугольника,

n = 0,75(n_d² - 1) + 1,

n = 0,75*(17² - 1) + 1 = 217.

20. Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника для многоходового теплообменника:

D_вн = 1,1t ? n/з, где з = от 0,6 до 0,7.

D_вн = 1,1*0,033*v 217/0,6 = 0,7 м

21. Полная высота теплообменника, м:

Н = l + 2д +2h,

где д - толщина трубной решетки, м; h - высота предтрубной камеры, м; конструктивно принимают от 200 до 400 мм, примем h = 300 мм = 0,3м.

д = 2,8 мм по табл.29 [5]

Н = 1,65 + 2*2,8 + 2*0,3 = 7,85 м.

22. Число ходов в межтрубном пространстве:

Ж_мтр = 0,785[(D_вн - nd_н²)сщ_мтр] / G_мтр,

Ж_мтр = 0,785[(1,04² - 217*0,026²)884*0,65] / 1,39 = 303,38

23. Расстояние между сегментными перегородками межтрубного пространства:

h = S_мтр/[D(1 - d_н/S)],

где S_мтр - проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м²:

S_мтр = 0,785(D_вн² - nd_н²),

S_мтр = 0,785( 0,7² - 217*0,026²) = 0,27м²,

S - живое сечение прохода теплоносителя, м²:

S = G/щс,

S = 1,39/0,65*884 = 0,0024 м².

h = 0,27 /0,7*(1 - 0,026/0,0024) = 0,092 м = 92 мм.

Гидравлический расчет

Гидравлический расчет выполняется для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь.

1. Общие потери давления определяются:

ДС = ДС_тр + ДС_мс или напора

h_п = h_тр + h_мс, где

ДС_тр (h_тр ) - потери давления (напора) на преодоление сопротивлений трения при движении теплоносителей через каналы установки,

ДС_мс (h_мс) - потери давления (напора) на преодоление местных сопротивлеий.

2. Конечное уравнение для расчета потерь давления (напора) имеет вид:

ДС_общ = ДС_тр + ДС + ДС_г,

Н_общ = h_тр + h_а + h_г, где

ДС_тр (h_тр) - потери давления (напора) а проводящих и отводящих трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;

ДС (h_а) - потери давления (напора) в теплообменнике, Па, мм вод. ст.;

ДС_г - потери давления при подъеме жидкости на высоту h_г, Па.

ДС_тр = л*l/d_э*сщ²/2,

ДС_тр = кПа,

Для труб и каналов круглой формы сечения d_э = d_вн.

Где л - коэффициент трения, значение которого зависит от режима течения среды и от относительной шероховатости канала, для ламинарного режима (Re ? 2320):

л =

А - коэффициент, зависящий от формы сечения трубопровода (канала). Для каналов круглого сечения А = 64

л =

Re = ю*d_э\н = ю*d_э*с\м

Re =

ДС = (л*l/d_э + Уо)*сщ²/2, где

Уо - суммарный коэффициент местных сопротивлений,

Уо = 0,2+1,0+1,5+1,0+1,5 = 5,2.

ДС =

ДС_г = сgh_г,

ДС_г = 884*9,81*1,65 = 14308,9 Па = 14,3 кПа.

ДС_общ = 0,72 + 1,7 + 14,3 = 16,72 кПа = 16720 Па.

3. Мощность, затрачиваемая на перемещение продукта, или мощность на валу насоса:

N_н = G*ДС_общ/сз, где

з - КПД насоса, примем з = 0,6.

N_н = 1,39*16720/884*0,6 = 43,8 кВт.

4. Мощность электродвигателя, кВт:

N_дв = N_н*10^-3\ з_дв*з_п, где

з_дв - КПД двигателя,

з_п - КПД передачи от двигателя к насосу, пусть з_п = 0,8.

N_дв = 43,8*10^-3/0,8*0,6 = 0,91 кВт.

На основе проведенных расчетов подбираем консольный насос марки ХМ2/25 n = 2900 об/мин и электродвигатель для него тип 4А71В2 мощностью 1,1 кВт.

Расчет тепловой изоляции

Любое нагретое тело теряет тепло в окружающую среду, что существенно увеличивает затраты на данный процесс. Для снижения этих затрат и соблюдения требований техники безопасности используют тепловую изоляцию.

Температура на поверхности изоляции из условий безопасности работы

t_из = 45^°С.

Температура окружающей среды:

t₀ = 20^°С.

Толщина тепловой изоляции:

д_из = л_из*(t_ст1 - t_из) / б₀*( t_из - t₀),где

t_ст1 = 151,1^°С,

д_из = 0,064*(151,1-45) / 11,49*(45-20) =0,024м =24мм.

Примем в качестве теплоизоляционного материала минеральная вата (предельная температура использования 600^°С):

л_из = 0,064 Вт/(м²*К).

Так как термическое сопротивление теплоотдачи от горячего теплоносителя изолируемой поверхности, а также термическое сопротивление этой поверхности очень малы по сравнению с термическим сопротивлением изоляции, то удельный тепловой поток можно рассчитать:

q = б₀*(t_из - t₀), где

б₀ - суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху, Вт/(м²*К),

б₀ = 9,74 + 0,07*( t_из - t₀) = 9,74 + 0,07*(45-20) = 11,49 Вт/(м²*К),

q = 11,49*(45-20) = 287,25 Вт/м².

Механический расчет

Корпус теплообменного аппарата выполняется сварным, из листовой стали 20К. Тогда допускаемое напряжение в зависимости от температуры стенки выбираем [у]^* = 142 Мпа, таб. 33 [5].

Расчет толщины стенок на внутреннее давление:

Толщина стенки при расчете на внутреннее давление проверяется по формуле:

д = (Р*D/2[у]_доп*ц) + С, где

д - толщина стенки корпуса, м;

Р - внутреннее избыточное давление в корпусе, МПа;

D - внутренний диаметр корпуса, м;

[у]_доп - допускаемое напряжение, МПа, [у]_доп = [у]*з = 142*0,9 = 127,8 МПа,

з - коэффициент, учитывающий конструкцию и условия работы аппарата, з = 0,9 для сосудов, обогреваемых топочными газами, таб.34 [5];

ц - коэффициент прочности сварного шва, для односторонней сварки

ц = 0,65;

С - поправка на коррозию, овальность и т. д., С = 0,001 м. [4]

д = 0,044*1,04/2*127,8*0,65 + 0,001 = 0,0013 м = 1,3 мм.

Расчет толщины стенок на наружное давление:

Толщина стенок на наружное давление при разрежении в аппарате:

д = (Р_н*D_н/2*[у]_с*ц) + С,

где Р_н - наружное избыточное давление, МПа;

D_н - наружный диаметр цилиндра, м;

[у]_с - допускаемое напряжение на сжатие, МПа, [у]_с = [у]_доп = 127,8 МПа;

С - конструктивная прибавка, С = 0,001 м. [3].

д = 0,12*0,325/2*127,8*0,65 + 0,001 = 0,0021 м = 2,1 мм.

Расчет толщины трубных решеток:

Толщина трубных решеток выбирается в зависимости от диаметра размещенных в ней труб. Шаг между соседними трубами должен быть не меньше t = 4,8d_н = 4,8*0,026 = 0,125, тогда толщина трубной решетки при заданном шаге:

Д_р = 4,8* d_н / (t - d_н),

Д_р = 0,125 / (0,125 - 0,026) = 1,27 мм.

Расчет толщины крышек:

Форма крышек и днищ в теплообменных аппаратах бывает различной (сферической, эллиптической, конической или плоской).

Номинальная толщина стенки эллиптического днища:

д =

где К - фактор формы днища, К = 1,2, [3] табл. 5,8 с.124

д =

Список использованной литературы

1. Гинзбург А.С., Громов М.А, Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Пищ. пром-сть, 1980. - 286с.

2. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1999. - 551 с.

3. Лунин О. Г., Вельтищев В. Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239с.

4. Соколов В. И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 484с.

5. Солнцев В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств химической технологии: Учебно-методическое пособие. - Владивосток: Изд-во ТГЭУ, 2006. - 100с.

6. Угрюмова С. Д. Теплотехника: Учебник. Владивосток: Издательство ДВГАЭУ,1999. - 296с.

7. Федоров Н.Е. Методы расчета процессов и аппаратов пищевой промышленности. - М.: Пищевая промышленность, 1966. - 292с.